空间等离子体和单粒子的运动、KineticTheory和MHD简介课件.ppt
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- 空间 等离子体 粒子 运动 KineticTheory MHD 简介 课件
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1、1空间等离子体和单粒子的运动、Kinetic Theory 和 MHD 简介Outline:n等离子体的定义nDebye长度和等离子体的特性n空间等离子体n单个带电粒子的运动n回旋波nGuiding center motionn磁矩守恒量n磁镜效应nTrapped particlesn辐射带n电离层n极光的产生n磁冻结效应nKinetic theory简介nMHD简介23等离子体n等离子体的定义:由由自由电子和自由离子组成的集合体(气体),自由电子和自由离子组成的集合体(气体),其正负电荷数目相同。在平均作用的意义上,等离子体对其正负电荷数目相同。在平均作用的意义上,等离子体对外呈现电中性。外
2、呈现电中性。等离子体的直接特性:等离子体的直接特性:自由离子和自由电子占主导地位自由离子和自由电子占主导地位(即带电粒子所受到的势能远小于粒子热(即带电粒子所受到的势能远小于粒子热运动的动能),随机的热运动克服库仑势。运动的动能),随机的热运动克服库仑势。4PropertyGasPlasmaElectrical ConductivityVery lowAir is an excellent insulator until it breaks down into plasma at electric field strengths above 30 kilovolts per centimete
3、r.Usually very highFor many purposes,the conductivity of a plasma may be treated as infinite.Independently acting speciesOne All gas particles behave in a similar way,influenced by gravity and by collisions with one another.Two or threeElectrons,ions,protons and neutrons can be distinguished by the
4、sign and value of their charge so that they behave independently in many circumstances,with different bulk velocities and temperatures,allowing phenomena such as new types of waves and instabilities.Velocity distributionMaxwellianCollisions usually lead to a Maxwellian velocity distribution of all g
5、as particles,with very few relatively fast particles.Often non-MaxwellianCollisional interactions are often weak in hot plasmas and external forcing can drive the plasma far from local equilibrium and lead to a significant population of unusually fast particles.InteractionsBinaryTwo-particle collisi
6、ons are the rule,three-body collisions extremely rare.CollectiveWaves,or organized motion of plasma,are very important because the particles can interact at long ranges through the electric and magnetic forces.http:/en.wikipedia.org/wiki/Plasma_%28physics%295See http:/en.wikipedia.org/wiki/Plasma_%2
7、8physics%29Plasma lamp 分离的正离子和电子是否会在电场力的库仑相互作用下结合成电中性原子或者分子?频繁的带电粒子碰撞对等离子体的影响是什么?6什么样的条件使得等离子体稳定存在?1.保持电中性2.自由粒子的存在3.发生碰撞的几率低7德拜屏蔽(Debye Shielding)等离子体存在一个特征长度,在此特征长度以外,带电粒子间库仑势场因为屏蔽效应迅速减弱。这个特征长度定义为Debye length。200enkTeD8Debye Length由温度和带电粒子的密度共同决定9Debye and Coulomb potentialrQ041)exp(410DrrQ库仑势德拜势1
8、0德拜屏蔽(Debye Shielding)统计物理指出自由粒子在相空间*的分布大致如下:eeeekTqVmkTmn221230eexp2(v)f*相空间指(vx,vy,vz,rx,ry,rz)组成的坐标空间11解Poisson方程 eqkTeenexp10002)exp(410DrrQ2002enkTeD1209.6nTeD德拜长度的快速估算Debye Length in cmTe in kn0 in cm-313研究对象尺寸要求DL保持等离子体电中性14典型的德拜长度PlasmaDensitne(m-3)Electron temperatureT(K)MagneticFieldB(T)De
9、byeLengthD(m)Solar core1032107-1011Tokamak102010810104Gas discharge1016104-104Ionosphere1012103105103Magnetosphere107107108102Solar wind10610510910Interstellar medium105104101010Intergalactic medium1106-105http:/en.wikipedia.org/wiki/Debye_length#Debye_length_in_silicon15Debye length vs spacecraftnS
10、pacecraft potential光电子效应产生的电荷16Debye sphere13DeDnN德拜球的定义如下:ND讨论了自由带电粒子的中的“自由问题”172123nTND13DeDnN20enkTeeD18如何联系自由带电粒子和ND?1ekTe库仑势能远小于粒子热运动的动能考虑极限条件下:311minenr于是:min041re32311414120DeeeNnkTekTe1ekTe13DeDnN19Plasma frequencyx00 xenE+-Possible electron plasma oscillationx20 xenEedtxdme02022)(单个电子的运动方程整
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